硅在半导体材料竞赛中长期占据霸主地位，但它在光电领域的“先天缺陷”也限制了成长空间。近日，研究人员开发出一种由锗、锡组合而成的新型半导体材料，其对光的吸收与发射效率优于硅半导体，或有望成为新一代高性能半导体。
硅是现代电子产业的基石，多数电脑、手机等电子产品的芯片都以硅为主，目前仍难以被其他材料取代。
尽管硅具备技术成熟、成本低廉等优势，但由于其“间接能隙”（indirect bandgap）特性，发光效率远低于直接能隙材料（如砷化镓GaAs），无法直接作为高效激光或LED光源器件，在光电领域难以大展身手。
为在芯片上实现光通信（相比电子传输更快、更节能），工程师通常需要将昂贵的Ⅲ-Ⅴ族材料（如砷化镓）进行异质集成，工艺复杂且成本高昂。因此，科学家长期致力于开发四族材料的替代方案，其中锗锡合金（GeSn）被视为半导体领域的“圣杯”。
与Ⅲ-Ⅴ族材料不同，锗和锡同属Ⅳ族元素。在锗晶格中掺入特定比例的锡可改变能带结构，使其转变为“直接能隙”材料，从而具备更高的载流子迁移率；同时，Ⅳ族元素与现有硅集成电路工艺高度兼容，因而在光电应用领域备受关注。
过去，锗锡合金的主要挑战在于这两种元素在常规条件下难以发生化学反应。直到最近，爱丁堡大学团队将锗、锡混合物加热至1200℃，并施加高达10GPa的压力，最终成功制备出可在常温常压下稳定存在的锗锡合金。
无论是新一代电子设备，还是电力需求持续增长的数据中心，未来都寄望借助光传输提升能源效率；新材料有望让设备运行更快、能耗更低。
相关论文发表于《美国化学学会期刊》（American Chemical Society，ACS）。
来源：科技新报
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